Schmelzen und Erstarren, Verdampfen und Kondensieren

Worum geht es ?

Im Internet finden Sie viele Seiten, auf denen über Schmelzen und Verdampfen geschrieben wird. Gewiss ist da auch viel Wissenswertes zu finden. Einige Fragen aber bleiben so gut wie immer unbeantwortet.

Ganz nebenbei werden wir auch Antworten auf 2 andere, gar nicht gestellte Fragen bekommen.

Kleiner Hinweis : Die Begriffe Sieden und Verdampfen werden auf dieser Seite gleichberechtigt benutzt.

Im einzelnen geht auf dieser Seite um

Welche Vorgänge laufen beim Schmelzen ab ?

Erster Schritt : Wie ist ein fester Stoff aufgebaut ?

Jeder feste Stoff ist aus kleinsten Teilchen aufgebaut. Zwischen den Teilchen wirken Kräfte, die sie zusammenhalten. Es sind immer elektrostatische Anziehungskräfte (Coulomb–Kräfte). Die Art der Teilchen und die Stärke der Kräfte (oft nennt man sie Bindungskräfte oder einfach Bindungen) sind sehr vielfältig. Eine genaue Besprechung finden Sie auf meiner Seite über Bindungen. Dort gehe ich auch auf den Modellcharakter der Vorstellungen vom Zusammenhalt der Festkörper ein. Hier nur eine kurze Zusammenfassung.

Name
  		Beispiele
  		Bindungs­energie
in kJ/mol 		Richtungs­abhängigkeit
 
Ionenbindung Salze, Metalloxide 600 – 2000 ungerichtet
Atombindung Diamant 200 – 1000 gerichtet
Metallbindung Metalle 100 – 500 ungerichtet
Wasserstoff­brückenbindung Stoffe, die Wasserstoff und Sauerstoff oder Stickstoff enthalten 10 – 100 gerichtet
Dipolkräfte
(Keesom–Kräfte) 		viele organische Verbindungen 5 – 10 gerichtet
Dispersionskräfte
(London–Kräfte) 		Edelgase, Kohlenwasserstoff­verbindungen 0,1 – 6 gerichtet oder
ungerichtet

Zweiter Schritt : Was passiert, wenn ein fester Stoff unterhalb seines Schmelzpunkts erwärmt wird ?

Führt man einem Stoff durch Erwärmen Energie zu, so nehmen die kleinsten Teilchen diese Energie auf. Man sagt, ihre innere Energie steigt. Die innere Energie kann in 3 Arten vorliegen : Schwingungsenergie, Rotationsenergie und Energie der Elektronen.

Die Energie der Elektronen hat für das Schmelzen und Sieden keine Bedeutung. Elektronen, die ein höheres Energieniveau erreichen, bleiben dort nur für einige Zeit und fallen dann wieder auf das ursprüngliche Niveau zurück. Die Energie wird abgegeben und verlässt den Festkörper. Phänomene wie Phosphoreszenz und Fluoreszenz haben hier ihren Ursprung.

Deformations-
schwingungen

Inversion
von Ammoniak

bei höherer
Temperatur

Sehen wir uns die Schwingungs– und die Rotationsenergie ein wenig näher an. Die kleinsten Teilchen bewegen sich auf bestimmte Art. Einige Möglichkeiten für diese Bewegungen werden nun aufgezählt.

Alle in der Liste beschriebenen Schwingungen und Rotationen fasst man unter dem Namen thermische Schwingungen zusammen. Sie können sie in einer Jsmol–Visualisierung ansehen.

Bei niedriger Temperatur führen die Teilchen nur langsame Schwingungen mit geringer Amplitude (Auslenkung) durch und rotieren nur langsam. Erwärmt man den Feststoff, so werden Schwingungen und Rotationen schneller, und die Schwingungen vergrößern ihre Amplitude. Die kleinsten Teilchen nehmen also die Wärmeenergie auf und setzen sie in Bewegungsenergie um.

Können die kleinsten Teilchen unbegrenzte Mengen an Wärmeenergie aufnehmen ? Nein. Mehr über die Grenze demnächst.

Zum Seitenanfang

Dritter Schritt : Welche Vorgänge laufen beim Schmelzen ab ?

Wir haben in den vorigen beiden Absätzen 2 Eigenschaften der kleinsten Teilchen im Festkörper kennen gelernt. Einmal wirken zwischen ihnen elektrostatische Anziehungskräfte. Sie resultieren in einer bestimmten Bindungsenergie. Sie ist von der Temperatur unabhängig. Zum anderen ist in den Teilchen kinetische Energie enthalten. Sie ist umso größer, je höher die Temperatur ist.

Erwärmt man den Festkörper, steigt die kinetische Energie seiner kleinsten Teilchen. Irgendwann ist sie größer als die Bindungsenergie. Man kann es sich anschaulich so vorstellen, dass die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen nicht mehr stark genug sind, um den Kräften, die aufgrund der thermischen Schwingungen wirken, standzuhalten. Die Teilchen bewegen sich nun unabhängig voneinander, und das ist gerade das Merkmal einer Flüssigkeit. Der Festkörper ist geschmolzen.

In einer Flüssigkeit werden die Teilchen also nicht mehr von den elektrostatischen Anziehungskräften zusammengehalten.

Zum Seitenanfang

Warum sind Flüssigkeiten flüssig ?

Eine seltsame Frage

Sublimation im Phasendiagramm

Bild 4 : Der rote Pfeil zeigt, was passiert, wenn man einen Feststoff bei niedrigem Druck erwärmt. Er geht direkt in den gasförmigen Zustand über. Dieser Vorgang heißt Sublimation.

Bis hier ist das ja leicht zu verstehen, denn die Argumentationskette ist geradlinig. Die Bindungsenergie ist zu niedrig, die Anziehungskräfte sind zu schwach, um die Teilchen zusammenzuhalten, also gehen sie auseinander. Wer aber nicht nur Schulbuchwissen nachplappert, wird an dieser Stelle einen Widerspruch erkennen und sich eine Frage stellen. In einer Flüssigkeit haben sich die Teilchen räumlich so gut wie gar nicht voneinander entfernt, sie sind immer noch fast genau so nah beieinander wie im Feststoff. Warum ist das so ? Warum entfernen sie sich nicht wirklich, so wie im Gas ? Oder anders gesagt, warum geht der Feststoff beim Schmelzen nicht sofort in den gasförmigen Zustand über ?

Der Druck spielt die Schlüsselrolle

Wenn Sie sich das Phasendiagramm in Bild 4 einmal ansehen, werden Sie feststellen, dass Feststoffe sehr wohl direkt in den gasförmigen Zustand übergehen können. Sie tun es bei niedrigem Druck. Nur bei hohem Druck werden sie erst flüssig. Ist es etwa der Druck, der Feststoffe davon abhält, direkt in den gasförmigen Zustand überzugehen ? Ist der Druck die Ursache, dass Flüssigkeiten überhaupt existieren ? Nehmen wir also die Rolle des Drucks genauer unter die Lupe.

kleinste Teilchen in einer Flüssigkeit

Bild 5 : Die Teilchen im Innern sind rundherum von Nachbarn umgeben und werden von ihnen angezogen. Die Teilchen an der Oberfläche haben nur wenige Nachbarn.

Um diese Rolle besser verstehen zu können, werde ich etwas ausholen und erst die Teilchen im Innern eines Festkörpers oder einer Flüssigkeit mit denen an der Oberfläche vergleichen. Sehen Sie sich dazu Bild 5 an. Es zeigt einen Ausschnitt einer Flüssigkeit (denn die Teilchen sind unregelmäßig angeordnet), aber die Verhältnisse in Festkörpern sind im Prinzip dieselben. Die Teilchen im Bild sind kugelförmig (denn dadurch wird das Bild übersichtlicher), aber die Verhältnisse sind bei anders geformten Molekülen oder Ionen dieselben.

Zum Seitenanfang

Teilchen im Innern

Sehen Sie sich zuerst ein Teilchen im Innern an. Es ist in allen Richtungen von anderen Teilchen umgeben. Zwischen dem Teilchen und allen seinen Nachbarn wirken Anziehungskräfte. Es sind die Coulomb–Kräfte, die im ersten Schritt ausführlich beschrieben wurden. Natürlich sind sie in der Flüssigkeit genauso vorhanden wie im Festkörper, und sie sind immer noch genauso stark wie vor dem Schmelzen (aber schwächer als die durch die thermischen Schwingungen verursachten Kräfte). In Bild 5 sind sie durch schwarze Striche dargestellt. Ein Teilchen (Nr. 1, etwa in der Mitte) ist herausgehoben, es hat 7 Nachbarn, zu denen hin Coulomb–Kräfte wirken. Einer davon (Nr. 2) hat sich schon ziemlich weit von ihm entfernt. Bewegt er sich noch weiter weg, wird er die Umgebung des ersten Teilchen ganz verlassen. Er ist dann aber immer noch in der Flüssigkeit, denn er wird in die Nähe eines anderen Teilchens kommen (Nr. 3), und es wird sich kurzzeitig eine Bindung zwischen diesen ausbilden.

Die Teilchen im Innern der Flüssigkeit können diese also nicht verlassen, denn kaum haben sie sich von einem Nachbarteilchen entfernt, werden sie von einem anderen angezogen.

Zum Seitenanfang

Teilchen an der Oberfläche

Bei den Teilchen an der Oberfläche der Flüssigkeit (oder des Festkörpers) ist die Situation anders. In Bild 5 sind zwei solche Teilchen eingezeichnet. Sie haben nur zum Innern der Flüssigkeit hin Nachbarn, und nur zu diesen hin wirken Coulomb–Kräfte (Teilchen Nr. 4 und 5). Nach außen hin sind so gut wie keine Nachbarn vorhanden. Dort ist Luft oder ein anderes Gas. Es hat eine im Vergleich zur Flüssigkeit sehr geringe Dichte, enthält also pro Volumeneinheit viel weniger Teilchen. Sie erkennen, dass Sie die Teilchen an der Oberfläche genauer betrachten sollten. Dort liegt der Schlüssel zur Antwort.

Teilchen mit mehr oder weniger Energie

Energieverteilung der Teilchen in einer Flüssigkeit

Bild 6 : Energieverteilung der Teilchen in einer Flüssigkeit.

Wir haben bisher immer gesagt, dass die Teilchen aufgrund der thermischen Schwingungen eine bestimmte Energie besitzen, und vielleicht ist dabei der Eindruck entstanden, dass alle Teilchen in einem Tropfen Flüssigkeit die gleiche Energie haben. Dieser Eindruck ist falsch. Einige haben eine höhere Energie, andere eine niedrigere. Das ist leicht zu verstehen, wenn man bedenkt, dass die Teilchen zusammenstoßen. Dabei wird, je nachdem mit welcher Geschwindigkeit und in welcher Richtung sie zusammenstoßen, Energie von einem zu einem anderen Teilchen übertragen. Da die Zusammenstöße ganz zufällig erfolgen, gibt es Gewinner, deren Energie von Stoß zu Stoß steigt, und auch Verlierer.

Bild 6 zeigt die Energieverteilung von Teilchen in einer Flüssigkeit, und Sie können daraus erkennen, wieviele Gewinner und Verlierer es gibt. Die Kurve in Bild 6 hat ein Maximum. Das heißt, bei einer bestimmten Energie ist die Häufigkeit der Teilchen sehr hoch, oder anders gesagt, viele Teilchen haben eine mittlere Energie. Nach links wird die Kurve immer niedriger. Je niedriger die Energie, umso geringer die Zahl der Teilchen, die eine solche Energie besitzen, oder anders gesagt, nur wenige Teilchen haben geringe Energie. Dasselbe gilt auf der rechten Seite des Diagramms. Nur wenige Teilchen haben hohe oder sehr hohe Energie. Die Energie der Verlierer kann nicht kleiner als Null werden, die der Gewinner kann im Prinzip beliebig groß werden. Es gibt also immer ein paar Supergewinner – wie im Leben auch.

Zum Seitenanfang

Verdunsten – noch nicht Sieden

Energieverteilung der Teilchen in Flüssigkeiten unterschiedlicher Temperatur

Bild 7 : Energieverteilung der Teilchen in einer Flüssigkeit bei 20 °C und bei 50 °C. Beide Verteilungen unterscheiden sich nur wenig. Der rote Strich markiert die Energie, die ein Teilchen braucht, um zu verdunsten. Die Fläche rechts vom roten Strich unter der Kurve für 20 °C ist kleiner als die für 50 °C. Bei 20 °C haben also weniger Teilchen die Energie, die nötig ist, um verdunsten zu können als bei 50 °C, und die Verdunstung ist bei dieser Temperatur schwächer.

Was passiert mit den Gewinnern ? Ihre Energie ist so groß, dass sie die Coulomb–Kräfte zu ihren Nachbarn überwinden können. Nur weil es so wenige Nachbarn sind (denken Sie daran, dass es im Augenblick um Teilchen an der Oberfläche geht), haben sie überhaupt die Chance, die Anziehungskräfte zu allen Nachbarn zu überwinden. Und nur, weil ihre Energie so groß ist, können sie diese Anziehungskräfte nicht nur für einen kurzen Moment überwinden, um gleich wieder eingefangen zu werden, sondern dauerhaft. Diese wenigen Teilchen mit hoher Energie verlassen den Flüssigkeitstropfen. Sie entfernen sich beliebig weit und kommen nie mehr zurück zu ihrem Tropfen. Das eben beschriebene Phänomen kennt jeder. Es heißt Verdunstung.

Sie haben eben gelernt, warum ein Wassertropfen verdunstet. Die thermische Energie einiger Teilchen an der Oberfläche ist groß genug, den Tropfen zu verlassen. Weil wir gerade übers Verdunsten reden, können Sie sich auch ganz schnell klarmachen, wie es von der Temperatur abhängt. Schon direkt über dem Schmelzpunkt wird es einige wenige Teilchen geben, die genug Energie haben, um den Tropfen verlassen zu können. Je höher die Temperatur steigt, umso höher ist die durchschnittliche Energie der Teilchen, und es werden auch immer mehr Teilchen die Energie haben, die sie benötigen, um die Oberfläche zu verlassen. Folge ist, dass der Tropfen schneller verdunstet. Bild 7 illustriert das. Wieder konnten wir eine Alltagserfahrung erklären.

Zum Seitenanfang

Geschlossene Systeme – sie bringen mehr Klarheit

geschlossenes System Wasser - Luft

Bild 8

Bisher habe ich nur über offene Systeme geschrieben. Ein offenes System ist eines, das mit seiner Umgebung Materie und Energie austauscht. So ist zum Beispiel ein Wassertropfen ein offenes System. Im Gegensatz dazu stehen geschlossene Systeme (sie tauschen Energie, aber keine Materie mit ihrer Umgebung aus) und abgeschlossene Systeme (sie tauschen weder Materie noch Energie aus). Die Mineralwasserflasche in Bild 8 ist in guter Näherung ein Beispiel für ein geschlossenes System. Sie ist etwa zu einem Drittel mit einer Flüssigkeit gefüllt. Um die Argumentation nicht unnötig kompliziert zu machen, soll sie mit einer reinen Flüssigkeit gefüllt sein, zum Beispiel Wasser, nicht mit einem Gemisch wie Mineralwasser oder Benzin. Über dem Wasser befindet sich Luft.

Was passiert an der Oberfläche der Flüssigkeit im geschlossenen System oberhalb des Schmelzpunktes ? Zuerst mal dasselbe wie im offenen System. Einige Teilchen haben genug Energie, um die Anziehungskräfte zu allen Nachbarn zu überwinden und entfernen sich von der Oberfläche. 3 Absätze weiter oben habe ich geschrieben „Sie entfernen sich beliebig weit und kommen nie mehr zurück zu ihrem Tropfen.” Diese Aussage gilt nun nicht mehr. Die Wassermoleküle bleiben im Gasraum über der Flüssigkeit, also im oberen Teil der Flasche. Sie stoßen von Zeit zu Zeit mit den Molekülen der Luft zusammen. Da sie sich zufällig bewegen, werden einige wieder zur Flüssigkeitsoberfläche kommen. Nun kommen die Coulomb–Kräfte ins Spiel. Der Abstand zwischen den Rückkehrern und den Molekülen der Oberfläche ist wieder klein genug, so dass die Coulomb–Kräfte (sie verringern sich mit dem Quadrat der Entfernung) im Vergleich zu den thermischen Schwingungen wieder die Oberhand gewinnen. Das Molekül gehört wieder zur flüssigen Phase des Wassers.

Verdunsten, schematisch

Bild 9 : Eben haben wir das Wasser in die Flasche gefüllt. Im Gasraum über der Flüssigkeit sind nur wenige Wassermoleküle. In einer Zeiteinheit verlassen 4 Wassermoleküle die Flüssigkeit (Pfeile nach oben), aber nur eines kehrt zurück. Im Lauf der Zeit wird die Konzentration der Wassermoleküle im Gasraum zunehmen.

Verdunstungsgleichgewicht, schematisch

Bild 10 : Die Wasserflasche wurde längere Zeit sich selbst überlassen. Im Gasraum über der Flüssigkeit sind nun recht viele Wassermoleküle. In einer Zeiteinheit verlassen 4 Wassermoleküle die Flüssigkeit, und es kehren 4 zurück. Es hat sich ein Gleichgewicht eingestellt. Der Gasraum ist mit Wasserdampf gesättigt.

Spinnen Sie diesen Gedanken noch etwas weiter. Das System der halbgefüllten Wasserflasche soll bei konstanter Temperatur für längere Zeit beobachtet werden. Die Rate, mit der Wassermoleküle die Oberfläche verlassen, hängt dann nur von der Zahl der Moleküle an der Oberfläche, also von der Größe der Oberfläche ab. Sie bleibt konstant, denn auch die Größe der Oberfläche bleibt konstant. Das heißt, dass pro Zeiteinheit immer die gleiche Zahl an Wassermolekülen von der Oberfläche in den Gasraum übergeht.

Die Rate, mit der umgekehrt Wassermoleküle vom Gasraum in die Flüssigkeit übergehen, hängt von der Zahl der Wassermoleküle im Gasraum ab. Je mehr Wassermoleküle dort sind, umso größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass in einer Zeiteinheit eines davon auf die Oberfläche trifft. Anfangs wird in einer Zeiteinheit eine bestimmte Zahl von Molekülen die Oberfläche verlassen, aber fast keine Moleküle in die Oberfläche zurückkehren, denn im Gasraum sind ja erst ganz wenige Wassermoleküle. Dieser Zustand ist in Bild 9 gezeigt.

Wartet man längere Zeit, füllt sich der Gasraum mit immer mehr Wassermolekülen. Es werden also auch immer mehr Wassermoleküle wieder auf die Oberfläche treffen und in die flüssige Phase zurückkehren. Irgendwann wird die Rate der Wassermoleküle, die die Flüssigkeit verlassen, und die Rate der Wassermoleküle, die zur Flüssigkeit zurückkehren, gleich sein. Ein Gleichgewicht ist erreicht. Diesen Zustand können Sie in Bild 10 sehen.

Zum Seitenanfang

Der Dampfdruck

Haben Sie es gemerkt ? Eben haben Sie gelesen, warum eine Flüssigkeit bestehen bleibt und nicht einfach verdampft. Wenn Sie nun noch den Begriff des Dampfdrucks benutzen, werden die Erklärungen kürzer. Die Wassermoleküle, die aus der Flüssigkeit in den Gasraum übergehen, üben durch Stöße auf andere Moleküle eine Kraft aus. Nun ist der Druck definiert als Quotient aus Kraft und der Fläche, auf die die Kraft (senkrecht) wirkt. Die Wassermoleküle im Gasraum üben also auf die anderen Moleküle und die Glaswand einen Druck aus. Ihn nennt man Dampfdruck. Zu Beginn des Verdunstens sind nur sehr wenige Wassermoleküle im Gasraum. Sie üben nur einen sehr geringen Dampfdruck aus. Beim weiteren Verdunsten wird die Zahl der Wassermoleküle im Gasraum und damit auch der Dampfdruck größer. Hat sich das Gleichgewicht zwischen verdunstenden und wieder in die Flüssigkeit zurückkehrenden Wassermolekülen eingestellt, bleibt die Zahl der Wassermoleküle im Gasraum konstant. Man sagt, der Gasraum ist mit Wasserdampf gesättigt. Der Dampfdruck, den die Wassermoleküle jetzt ausüben, nennt man Sättigungsdampfdruck. Zum Beispiel beträgt der Sättigungsdampfdruck von Wasser bei 20 °C 2340 Pascal (= 17,6 Torr).

Im Bereich zwischen Schmelzpunkt und Siedepunkt verdampft im geschlossenen System also nur ein kleiner Teil der Flüssigkeit, und zwar soviel, bis der Sättigungsdampfdruck erreicht ist. Dieser Dampfdruck wirkt dem Bestreben der Moleküle, die Flüssigkeit zu verlassen, entgegen. Er ist der Grund dafür, dass die Flüssigkeit bestehen bleibt.

Zum Seitenanfang

Welche Vorgänge laufen beim Sieden ab ?

Im vorigen Abschnitt haben wir ein geschlossenes System betrachtet. Es hat uns geholfen, den Dampfdruck zu verstehen. Aber natürlich wirkt er in offenen Systemen genauso wie in geschlossenen. Die folgenden Ausführungen gelten daher in beiden Arten von Systemen.

Stellen Sie sich nun ein offenes System vor, etwa einen Kochtopf, der zur Hälfte mit Wasser gefüllt ist. Das System wird erwärmt. Als Folge steigt der Dampfdruck. Erwärmt man immer weiter, wird nach einiger Zeit der Dampfdruck genauso groß sein wie der äußere Druck (er beträgt in der Regel etwa 1 atm = 0,1013 MPa). Der entstehende Wasserdampf übt dann auf die umgebende Luft denselben Druck aus wie die umgebende Luft auf die Wasseroberfläche. Es kann immer mehr Wasserdampf entstehen, und der Außendruck reicht nicht mehr aus, das zu verhindern. Oder, auf der Ebene der kleinsten Teilchen argumentierend, die Moleküle der Luft können nicht mehr genug Stöße auf die immer größer werdende Zahl der Wassermoleküle ausüben, um sie alle zur Wasseroberfläche zurückzuschicken. Das Wasser siedet.

Zum Seitenanfang

Kurz und knapp

Ein Stoff schmilzt, wenn seine thermische Energie größer ist als die Bindungsenergie.

Er siedet, wenn der Dampfdruck größer ist als der äußere Druck.

Zum Seitenanfang

Warum schmelzen manche Stoffe nicht, sondern sublimieren ?

Stoffe, die nur sublimieren, nicht schmelzen

Schwefelhexafluorid (SF6) sublimiert bei Normaldruck bei –63,8 °C, Kohlendioxid (CO2) bei –78,5 °C. Oberhalb dieser Temperaturen ist die durchschnittliche thermische Energie der Teilchen größer als die Bindungsenergie, also ist der feste Zustand nicht mehr stabil. Aber gleichzeitig ist der Dampfdruck größer als der äußere Druck (Normaldruck von 1 bar), also ist auch der flüssige Zustand nicht mehr stabil. Der Stoff geht vom festen direkt in den gasförmigen Zustand über, er sublimiert.

Stoffe, die sublimieren und schmelzen

Iod sublimiert

Bild 11 : Schon bei leichtem Erwärmen
sublimiert Iod schnell.

Ein anderes Phänomen ist das langsame Sublimieren, vergleichbar dem Verdunsten von Wasser. Lässt man Iod oder Campher offen an der Luft liegen, verschwinden diese Stoffe langsam, und das, obwohl beide bei Zimmertemperatur fest sind (Iod hat einen Schmelzpunkt von 114 °C, Campher von 179 °C). Was ist der Grund ?

Im Abschnitt „Teilchen mit mehr oder weniger Energie” auf dieser Seite habe ich gesagt, dass in einer Flüssigkeit nicht alle Teilchen die gleiche Energie haben, sondern manche haben eine höhere, andere eine niedrigere Energie.

In Feststoffen ist das genauso. Einige der kleinsten Teilchen in einem Kristall haben eine höhere thermische Energie als andere. Ursache sind wieder die Stöße der Teilchen untereinander. Sie erfolgen zufällig, und so haben einige Teilchen das „Glück”, besonders viel Energie zu sammeln. Dabei kommt es vor, dass die thermische Energie eines Teilchens größer ist als seine Bindungsenergie. Was das für ein Teilchen im Innern des Kristalls bedeutet, können Sie weiter unten lesen. Was es für ein Teilchen an der Oberfläche bedeutet, können Sie sich inzwischen sicher selbst erschließen. Es wird den Kristall verlassen und in den Gasraum übergehen. Es sublimiert.

Iod und Campher sind Stoffe, bei denen die im vorigen Absatz beschriebenen Vorgänge gut sichtbar sind. Beides sind relativ große Moleküle, die eine Menge thermischer Energie aufnehmen können. Die Bindungen zwischen den Molekülen sind nur schwach. Deshalb hat schon bei Zimmertemperatur ein nennenswerter Teil der Moleküle eine thermische Energie, die größer ist als die Bindungsenergie, und damit einen nicht allzu kleinen Dampfdruck. Bei 20 °C beträgt der Dampfdruck von Iod etwa 30 Pa = 0,30 mbar, der von Campher 27 Pa. Kein Wunder, dass diese Stoffe sublimieren, so wie ein Wassertropfen verdunstet.

Aber nicht nur Iod und Campher sublimieren schon bei Zimmertemperatur (und überhaupt oberhalb des absoluten Nullpunkts), sondern, zumindest im Prinzip, jeder Stoff, denn in jedem Stoff und bei jeder Temperatur haben einige Teilchen genug thermische Energie, um die Bindungsenergie zu überwinden. Bei den meisten Stoffen ist der Dampfdruck (und damit die Sublimation) bei Zimmertemperatur allerdings unmessbar klein – zum Glück, sonst würden eiserne Brücken und Diamanten einfach so verschwinden.

Zum Seitenanfang

Warum schmelzen manche Stoffe nicht, sondern zersetzen sich ?

Es geht hier nicht um eine mehr oder weniger unvollständige Verbrennung, auch nicht um Korrosion oder andere Arten von Zersetzung, die an der Luft stattfinden, denn das sind Reaktionen eines Stoffes mit Sauerstoff. Gemeint ist vielmehr ein Verhalten, dass Sie vielleicht von Kunststoffen kennen.

Machen Sie bitte auf keinen Fall ein Experiment, wie im folgenden beschrieben. Es besteht Gefahr für Ihre Gesundheit und die Umwelt.

Einige Kunststoffe schmelzen beim Erhitzen nicht und verbrennen auch nicht, sondern werden schwarz oder braun und setzen stechend riechende Gase frei. Was passiert hier ?

Die Moleküle von Kunststoffen sind im Vergleich zu anderen Molekülen sehr groß. Sie zerfallen beim Erhitzen in ihre Bestandteile. Warum tun sie das, statt zu schmelzen wie andere Stoffe ? Die Antwort ist einfach, wenn man bedenkt, dass die schwächsten Bindungen zuerst brechen. Ganz offensichtlich sind hier die Bindungen innerhalb des Moleküls schwächer als die zwischen den Molekülen. Oder geschickter formuliert : Die Bindungen zwischen den Molekülen sind stärker als die innerhalb der Moleküle. Und warum ist das so ? Kunststoffmoleküle sind sehr groß. Zwischen ihnen können sich viele Bindungen ausbilden. Obwohl jede einzelne nur schwach ist (es sind ja nur Wasserstoffbrückenbindungen oder gar van–der–Waals–Bindungen), bewirken sie durch ihre große Zahl einen sehr starken Zusammenhalt zwischen den Molekülen.

Nachbemerkung zum Erkenntnisprozess

Auf dieser Seite habe ich sichtbare Phänomene (Schmelzen, Sieden, Verdunsten, Sublimieren) mit Hilfe von Modellen und Theorien der Physik (Teilchenmodell, Energiearten und ihre Umwandlung, Druck) erklärt. Beachten Sie, dass ich dabei einen wichtigen Teil des Erkenntnisprozesses in den Naturwissenschaften weggelassen habe, nämlich die Aufstellung und Verbesserung der Theorien, deren Grundlage ausnahmslos die Beobachtung ist.

 

Zum Seitenanfang
Zur Seite Phasendiagramme
Zur Seite Sublimation
Zum Kapitel Aggregatzustände
Zum Kapitel Modelle
Zum Kapitel fester Zustand
Zur Startseite
Zur Kapitelübersicht
Zur Indexseite

 

Impressum        Datenschutzerklärung